生物降解高分子材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

生物降解高分子材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景摘要：本文主要論述了生物降解高分子材料定義、生產(chǎn)原理及生產(chǎn)成型種類，對生物可降解高分子材料分類進行了說明，同時以舉例形式說明了生物降解高分子材料的應(yīng)用市場和涉及領(lǐng)域，最后也點明目前工業(yè)化生產(chǎn)所遇到的問題以及未來的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：生物降解高分子材料現(xiàn)狀引言隨著現(xiàn)代工業(yè)地不斷發(fā)展，人工合成材料已經(jīng)在我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中有著不可替代的作用，高分子材料就是其中一種典型的材料之一，高分子材料應(yīng)用范圍很廣闊，目前它主要被應(yīng)用于生命領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以及航空航天領(lǐng)域等方面，除此之外，它也在不斷潛移默化地改變我們的生活，在我們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)占據(jù)著重要的地位。但是普通的高分子材料都存在穩(wěn)定性好，難以分解的特點，讓高分子材料自然分解需要上百年時間，隨著生活高分子材料制品的增多，它的廢棄物的回收問題也日漸嚴(yán)重，對生活環(huán)境造成極大的破壞性，典型的現(xiàn)象就有“白色污染”。所以人們不得不開發(fā)一種降解性高分子材料來替代它的這些不足之處，因為這樣既能保證安全又能夠解決高分子材料廢棄物的回收問題。1.生物降解高分子材料的定義生物降解高分子材料是指在一定條件下，一定的時間內(nèi)能被細(xì)菌、霉菌、藻類等微生物降解的高分子材料。我們也可以認(rèn)為某種高分子材料能夠在一定的條件，一定的時間內(nèi)通過微生物的生命活動會很快降解的高分子材料，那么這種高分子材料稱為生物降解高分子材料。在自然環(huán)境中的，它會在一定條件作用下經(jīng)過一定的時間和一定的堆積程度能夠自動降解為對環(huán)境沒有破壞的小分子物質(zhì)，這些物質(zhì)具備可再生的特點，甚至可以參與生物的代謝循環(huán)過程而被同化吸收，成為滋養(yǎng)土壤的養(yǎng)料。2.生物降解高分子材料的分類生物降解性高分子材料根據(jù)其降解機理不同可分為生物降解高分子材料和光-生物雙重降解高分子材料。而在近幾年的科研方向中具有光-生物雙重降解特性的高分子材料也成為重點的開發(fā)指向，因為它具備的獨特分解性能可以更好推廣應(yīng)用，而降低生產(chǎn)成本就是目前所研究的側(cè)重點，它是目前主要的研究開發(fā)側(cè)重點和今后龐大市場領(lǐng)域中發(fā)展指向和重要支柱。3.影響材料降解性能的因素3.1環(huán)境因素影響生物降解性高分子材料的重要因素是環(huán)境因素。因為只有當(dāng)在足夠的環(huán)境因素條件下，微生物才能夠存活，才具備生物降解的功能，而影響生物降解高分子材料性能的因素有溫度、濕度、PH值和光能等條件，因此，只有在適合的環(huán)境因素條件下，微生物才能夠存活在高分子材料上，繼而才能夠破壞高分子材料的性能。3.2高分子材料聚合物的結(jié)構(gòu)高分子材料聚合物的結(jié)構(gòu)直接影響了材料生物降解的快慢和程度的高低。高聚物的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，它并不是由無數(shù)個小分子簡單組成的，而是鍵位結(jié)合，不同的鍵位結(jié)合方式又會直接影響材料本身的特性，而降解性能的好壞也取決于鍵位構(gòu)成的不同，所以確定材料工成型工藝的根本來源是它們的結(jié)構(gòu)與性能的之間的聯(lián)系。4.生物降解高分子材料成型分類我們知道如果一種高分子材料能在一定的時間內(nèi)通過自然條件會很快降解的高分子材料，也就是能化學(xué)鍵位穩(wěn)定性能不是特別高，能夠隨著時間的推移而改變的，那么這種高分子材料稱為生物降解高分子材料。天然高分子材料的物理或化學(xué)改性的根本來源主要是通過對天然高分子的共聚或共混獲得有價值的可生物降解材料，如國外開發(fā)了乳化性、成模性及致密性良好的定粉衍生物作為卡氮介微膠囊的壁材。生物降解是一個很復(fù)雜的過程，科學(xué)家對目前關(guān)于生物降解的理論進行研究歸納以及綜述，對10種不同的計算模型進行了比較。按照其合成方法可分為微生物生產(chǎn)型、合成高分子型、天然高分子型以及摻和型等。4.1微生物生產(chǎn)型在自然生物界中，如果某種微生物能夠通過生命活動合成高分子，那么該種微生物具備微生物生產(chǎn)功能。這類微生物生產(chǎn)型高分子主要由微生物多糖和微生物聚酯組成，是我能常見的種類，不需要后期工業(yè)加工制備，同時它可具備完全生物降解性能。4.2合成高分子型合成高分子型指在分子結(jié)構(gòu)中引入芳香族聚酯和脂肪族聚酯形成一定結(jié)構(gòu)的共聚物。當(dāng)前市場上占據(jù)主導(dǎo)位置的種類有聚乳酸（PLA）和聚已內(nèi)酯（PCL）作為新型生物降解的醫(yī)用高分子聚合物。PCL,PLA作為柔性鏈段，可制備生物降解性PU彈性體。PLA具有優(yōu)良的可生物降解性，是常見的生產(chǎn)材料之一，它是熱塑性聚合物，擁有比較高的模量和強度。此外，它還具有較高的拉伸強度和壓縮模量，可是唯一不足的一點，它的柔韌性比較差，缺乏柔性和彈性，特別容易受力而導(dǎo)致材料發(fā)生形變。PLA應(yīng)用于臨床骨科中、藥物緩稀系統(tǒng)和應(yīng)用于手術(shù)縫合線以及骨折固定材料中。PLA在工業(yè)中的生產(chǎn)合成主要采取直接縮聚方法、丙交酯開環(huán)聚合方法。新的聚合方法如直接固相聚合法也受到人們的關(guān)注。PCL具有優(yōu)越的熱塑功能、柔韌功能、且還具備形狀記憶功能和容易加工成型的優(yōu)良性能，且它也是一種半結(jié)晶性聚合物，另外，它還具有藥物的透過性和生物的相容性以及降解性等許多優(yōu)點，最重要的是，PCL與大分子淀粉等粉狀生物大分子共同混合生產(chǎn)，可以生產(chǎn)出一種可完全降解的生物降解合成物。因此，它被廣泛應(yīng)用于生物降解性控制稀載體的相關(guān)領(lǐng)域中，如矯正器、膠帶和繃帶等。天然高分子型4.3在自然界中，也是普遍存在天然的高分子材料，而在這當(dāng)中可被微生物完全降解的高分子材料稱為天然高分子材料。其實，在古代的時候，人們就已經(jīng)開始利用天然高分子作為生活工具來進行他們的日常生活習(xí)作，他們把天然高分子制成塑料和化學(xué)纖維來滿足生活的需要。除此之外，天然高分子材料也是自然界和礦物界中由生化作用和光合作用而形成的高分子材料，它們幾乎都在動植物體內(nèi)中生存。4.4摻和型將一種有降解的高分子材料與沒有降解的高分子材料混合應(yīng)用現(xiàn)在工業(yè)合成生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)制備出的材料，從而使這類材料有了一定程度的生物降解性，這種合成材料的降解性能可以通過兩種原材料的混合比來調(diào)節(jié)高低，最終來獲取摻和型生物降解性高分子材料。合成后的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于垃圾袋、一次性食品容器和醫(yī)療設(shè)備等。4.5光-生物雙重降解性材料光-生物雙重降解高分子材料具備了光-生物雙重降解功能，它已達到較完全降解高分子材料的目的，它是目前廣闊市場的主要開發(fā)熱點之一。光-生物降解高分子材料可分為淀粉型和非淀粉型兩種類型的高分子材料。開發(fā)光降解性高分子材料的目的是為了解決由于廢塑料造成的環(huán)境污染問題，光降解性高分子材料的技術(shù)也相對比較中等，但是它很容易在日光照耀下產(chǎn)生降解，同時，光降解高分子材料處理的垃圾也不能夠得到有效的處理和及時的降解，所以導(dǎo)致它的應(yīng)用和發(fā)展受到了限制，因此，在目前情況看來，我國會不斷加強對于光-生物雙重降解高分子材料的研究力度以及進一步剖析了解其降解性能影響因素從而降低工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)上的難度和生產(chǎn)成本。光-生物雙重降解性高分子材料的降解效率很高、對環(huán)境造成的污染較小、安全性較高、實施成本較低，所以光-生物雙重降解高分子材料的使用前景較為寬闊，是目前降解性高分子材料的重要研討開發(fā)對象之一。4.6淀粉型光-生物降解材料淀粉型光-生物降解性高分子材料具備耐酸、耐熱、耐絕緣的優(yōu)點，但同時它也存在著許多缺點，例如，它的耐水性、可加工性以及它的一些力學(xué)性能都很差。關(guān)于如何改善它的這些不足之處的問題上，許多科學(xué)家專門在這方面進行了大量的鉆研任務(wù)，最后經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，要想明顯改善淀粉型光-生物降解高分子材料的受力性能和加工的簡易性，我們可以材料生產(chǎn)過程中稍微做下改變，在淀粉型光-生物降解高分子材料中加入一種流動性能較好的PVA材料，因為這樣就可以從根本上解決了它的不足之處。事實上，由意大利Novamonte公司開發(fā)的淀粉-變性PVA等共混物（Mater-Bi)已經(jīng)商品化。4.7非淀粉型光-生物降解高分子材料非淀粉型光-生物降解高分子材料作為一種新型復(fù)合材料，其性能也是極其優(yōu)良，且生產(chǎn)成本比較低，現(xiàn)在主要研究方向在光-生物降解PE地膜，大量應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。應(yīng)用試驗表明，采用復(fù)合光敏劑和添加改性淀粉的方法制成的農(nóng)用聚乙烯薄膜，不但具備光和生物雙重降解性，并且還具有良好的力學(xué)功能，另外還可以控制它的降解誘導(dǎo)期。5應(yīng)用前景及領(lǐng)域5.1醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域生物降解高分子材料在醫(yī)藥領(lǐng)域上的一重要應(yīng)用是藥物控制釋放，為了控制藥物的釋放速率，我們可以用生物可降解性高分子材料制成的藥物來控制它的釋放系統(tǒng)。如凝膠控制釋放、微球和微膠囊控制釋放、靶向控制釋放等等，這些都是定向操作系統(tǒng)，傳統(tǒng)方式使得其釋放速率過低可能會導(dǎo)致藥物不能更好的釋放和利用率偏低，導(dǎo)致人體恢復(fù)速度慢，如果用生物降解高分子材料作為主要載體來放入人體體內(nèi)，當(dāng)載體藥物稀釋完后不需要將其從人體內(nèi)取出來，所以這樣既可以大大減輕病人的痛苦，又能夠降低危害性。例如我們生病時所服用的膠囊就是由生物降解高分子材料制成的，目前最理想的情況是，藥物能在適當(dāng)?shù)牡胤剑m當(dāng)?shù)臅r間加以釋放，可以從根本目的上滿足生理的需求。生物降解高分子材料在醫(yī)學(xué)方面的運用中還可以作為骨內(nèi)固定裝置。它即可用于術(shù)后人體機體恢復(fù)起于固定作用的降解高分子材料，例如骨螺絲、骨夾板等,還可以應(yīng)用于手術(shù)后組織和器官再生、愈合時起保護、定型作用的材料，這種材料降解的時間周期比較長，能更好的在組織細(xì)胞愈合過程中保護愈合時不再受創(chuàng)，材料會在組織細(xì)胞愈合后自動降解，但這項技術(shù)還存在一些不足之處，目前正在進行臨床研究的階段。當(dāng)然，生物降解高分子材料在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用還包含很多常見的醫(yī)學(xué)技術(shù)，例如外科手術(shù)中的縫合線、手術(shù)中組織修復(fù)以及傷口處理的敷料等。5.2農(nóng)業(yè)方面生物降解高分子材料在我國的第二大應(yīng)用領(lǐng)域就是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。由于我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大國，但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)還沒全面進入機械化生產(chǎn)的情況下，每年所消耗的農(nóng)用地膜、保鮮膜和農(nóng)用薄膜都是很大。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在2008年我國用于農(nóng)作物地膜覆蓋面積就已經(jīng)達到9.4萬平方米，而地膜生產(chǎn)也達78萬噸，化肥的包裝袋更加是高達58萬噸這么大的一個生產(chǎn)量也是導(dǎo)致我國環(huán)境不斷受到污染的原因之一，同時也是對于高分子材料的的一種浪費行為。所以近年來科學(xué)家研發(fā)出了殼聚糖塑料降解地膜，由于它的成本低、污染小以及強度大，所以可用于生物降解，而且降解后的產(chǎn)物對土壤有一定的改良效果?？缮锝到飧叻肿硬牧峡稍谶m當(dāng)?shù)臈l件下經(jīng)有機降解過程成為混合肥料,或與有機廢物混合堆肥,特別是用甲殼素/殼聚糖制備的生物降解高分子材料或含有甲殼素/殼聚糖的生物降解高分子材料,其降解產(chǎn)物不但有利于植物生長,還可改良土壤環(huán)境。5.3包裝材料高分子材料在包裝上的應(yīng)用及其的普遍，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國高分子材料應(yīng)用于包裝上的材料在已高達620萬噸，但是這其中又有近40%是沒有回收利用，這些沒有回收利用的主要是一些一次性用品或未能及時回收就被廢棄于生態(tài)中的包裝材料，例如食品包裝、貨運包裝、禮品包裝等，而這些包裝材料基本都是一次性用品，常見的就有食品快餐飯盒、一次性杯子、零食包裝袋等，這些一般使用過之后大多數(shù)都是廢棄于街道、郊區(qū)或野外當(dāng)中，對生態(tài)環(huán)境造成惡劣的影響，這也是造成白色污染的主要原因，對于包裝材料這方面來說，人們主要著力于研究可完全生物降解的高分子材料來代替目前使用的非生物降解的高分子材料，從而在根本上減輕對環(huán)境造成污染問題。此外，它也是目前市場上生物降解性高分子材料應(yīng)用最廣泛，開發(fā)最早的一項高分子材料。同時，它也是龐大的一次性餐飲飯盒的市場需求的巨大來源。而從可降解材料普遍推廣與包裝行業(yè)后，現(xiàn)在研究生產(chǎn)的種類主要有有各類的包裝袋、食品袋、一次性餐具、一次性飲料杯等。因此，生物降解性高分子材料在包裝和餐飲行業(yè)的市場需求量中顯得特別突出，這也是我們要提倡和去推廣的方向，但是目前有些餐飲店以及生產(chǎn)公司為了節(jié)約成本仍然使用不可降解的包裝材料、包裝盒等，要從根本上解決這問題還是要依靠國家監(jiān)管部門嚴(yán)格查辦生產(chǎn)不合格的生產(chǎn)企業(yè)，從源頭上治理生物可降解高分子材料包裝的問題。5.4金屬材料的應(yīng)用隨著科技的不斷進步，生物降解高分子材料還可以與金屬、以及金屬合金結(jié)合使用。鐵元素是人體中的一種微量營養(yǎng)元素，在一些酶和血紅蛋白中都含有鐵元素，而缺鐵也容易引發(fā)人體的不適和疾病，因此，科學(xué)家也把鐵于可降解高分子材料結(jié)合使用生產(chǎn)出金屬復(fù)合材料，因為其降解性，在進入人體后可以快速降解，而鐵元素則會擴散于體內(nèi)，這也是一種醫(yī)用方面的隱性可生物降解性金屬材料，當(dāng)然這金屬復(fù)合材料還有其他應(yīng)用的領(lǐng)域。而鎂元素也是一種金屬基生物醫(yī)用材料，它在人體內(nèi)的正常含量為30g，是人體骨骼生長的重要元素，至少有一半還存在于骨骼中，這也可以應(yīng)用目前的技術(shù)結(jié)合市場鎂復(fù)合生物可降解材料。當(dāng)然，也可普遍應(yīng)用于其他種類的金屬上，也可多種金屬材料復(fù)合生產(chǎn)，這項技術(shù)目前也還在研究推薦階段。結(jié)束語在我國，生物降解性高分子材料對于發(fā)達國家來說還是有很大差距的，因為它的技術(shù)配套標(biāo)準(zhǔn)化程度比較低，各類生產(chǎn)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還需要進一步的改善。然而生物降解性高分子材料的潛在市場還是很大的。相信不久的將來目前所遇到的技術(shù)和生產(chǎn)問題也會一一解決，為我國的經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境做出貢獻。參考文獻：[1]王景昌,袁浩琪,王文煥,等.超臨界CO2中合成醫(yī)用生物可降解高分子材料的研究進展[J].化工新型材料,2017(9):20-22.[2]李闖.可生物降解高分子材料的分類及應(yīng)用研究[J].橡塑技術(shù)與裝備,2016(14):62-63.[3]桂紅.淺析對生物降解高分子材料的研究[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(16):246-246.[4]李延壘.生物降解高分子材料分析及應(yīng)用研究[J].化工管理,2016(16):85-86.[5]滕